CN105970802B - 自开启位移型多级水力吸耗能器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自开启位移型多级水力吸耗能器。本发明包括钢箱梁，挂蓝放置于钢箱梁底部方形凹洞内；挂蓝包括方形挂蓝外框，挂蓝外框内套有圆筒形挂蓝中筒和挂蓝内筒，挂蓝顶板上开有若干通水孔，通水孔之上铰接有盖板；挂蓝四个角上连接的吊绳穿过抱紧装置，绕过滑轮后，缠绕在安装于钢箱梁顶板上的转筒上；在方形凹洞底部四个角上分别设置有一块水平托板，水平托板上设置有竖直挡板，竖直挡板通过限位弹簧与方形凹洞侧板底部连接，在挂蓝外框底部四个直角内分别设置有一个水平角板；挂蓝外框底部四个角通过圆形滚珠支撑于方形凹洞底部的四个水平托板上。本发明能够在桥梁振动初始时自动开启吸耗能器，通过水力吸耗能，从而抑制桥梁振动。

Description

自开启位移型多级水力吸耗能器

技术领域

本发明属于大跨度悬索桥结构阻尼器技术领域，具体涉及一种自开启位移型多级水力吸耗能器。

背景技术

大跨度悬索桥能跨越大江大河，可避免深水基础的施工而得到广泛应用。但由于其跨度大，主梁和主缆阻尼小，极易在大风作用下发生大幅扭转或弯-扭组合振动而导致桥梁破坏，其抗风稳定性问题是限制其跨度进一步加大的主要影响因素。增大悬索桥阻尼，可以显著提高其抗风稳定性，但超大跨度悬索桥多处于交通繁忙的航道之上，为保证通航安全，航道中很难设置永久性固定设施，因此，目前没有很好的方法增加主梁或主缆的阻尼。

阻尼器是增加结构阻尼的最直接可靠的办法，并且可抑制结构多种形态的振动。阻尼器两端安装于结构之上，通过结构间的相对运动驱动阻尼器耗能减振，其耗能大小与结构在阻尼器两安装点的相对运动大小直接相关。阻尼器的长度与悬索桥跨度相比很小，因此现有阻尼器很难提高悬索桥主梁或主缆的阻尼。

桥梁施工时常在航道处安装临时抗风桩，用钢缆连接主梁和抗风桩，提高主梁抗风稳定性，但需要在抗风桩处停泊船只和警示标志。在桥梁施工完成后，临时设施必须清理干净，抗风缆也被清除。

成桥后的大跨度悬索桥只在大风作用下才发生大幅振动，发生振动持续时间短，且此时船只大都进港避风，航道船只相对稀疏。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够在桥梁振动初始时自动开启吸耗能器，通过水力吸耗能及向水中传输结构振动动能，从而抑制桥梁振动的自开启位移型多级水力吸耗能器。

本发明的目的是通过如下的技术方案来实现的：该自开启位移型多级水力吸耗能器，它包括桥梁结构上的箱体式的钢箱梁，钢箱梁的底部加工有一个方形凹洞；它还包括一个挂蓝；所述挂蓝包括方形的挂蓝外框，挂蓝外框内依次套有圆筒形的挂蓝中筒和挂蓝内筒，挂蓝外框、挂蓝中筒和挂蓝内筒的顶部固连有挂蓝顶板，挂蓝底部为敞口，且挂蓝外框、挂蓝中筒、挂蓝内筒的高度依次增大；挂蓝顶板上均匀开有若干通水孔，通水孔之上铰接有盖板，未工作时盖板通过扭转弹簧处于盖紧状态，扭转弹簧的预紧力小，保证盖板下方水流能轻松冲开盖板；挂蓝上部四个角上分别连接有一根吊绳，四根吊绳的另一端等长度绑扎在一起后的结点再与吊绳连接，吊绳的另一端穿过安装于方形凹洞顶板上的抱紧装置，再绕过安装于钢箱梁顶板上的滑轮后，缠绕在安装于钢箱梁顶板上的转筒上；吊绳的长度保证挂蓝能够沉没于桥下水中，但不能接触到水底；所述挂蓝放置于钢箱梁底部的方形凹洞内，在方形凹洞底部的四个角上分别设置有一块水平托板，水平托板上设置有竖直挡板，竖直挡板通过限位弹簧与方形凹洞的侧板底部连接，在挂蓝外框底部四个直角内分别设置有一个水平角板；竖直挡板通过限位弹簧的弹力与所述挂蓝外框底部紧靠，挂蓝外框底部四个角通过圆形滚珠支撑于方形凹洞底部的四个水平托板上；水平托板尺寸及限位弹簧弹力的设计保证挂蓝处于方形凹洞中心并保持平衡，并且在风的直接作用下不产生足够滑落的侧移，但在钢箱梁发生一定的倾斜角度时滑落。

具体的，所述抱紧装置包括一个上、下开口的圆形外筒，外筒的下部套装有一个上、下开口的圆形内筒，内筒之上的外筒内安装有一块圆弧形的定闸瓦和一块圆弧形的动闸瓦，动闸瓦上连接有一根抱紧螺杆，抱紧螺杆伸出于外筒之外，通过旋转抱紧螺杆推动动闸瓦能调节定闸瓦和动闸瓦所围合的圆孔的大小；抱紧装置安装于方形凹洞的顶板上，顶板上开有对应于抱紧装置中心孔的通孔。

具体的，所述挂蓝上部连接的四根吊绳绑扎在一起后的结点通过保险绳与吊绳连接，保险绳的拉扯强度小于吊绳的强度。保证其与船碰撞、缠绕时，保险绳被拉断，挂篮沉入水中，避免翻船。

本发明的工作原理及工作过程如下：

本发明吸耗能器主要由挂蓝、吊绳、抱紧装置和转筒组成。挂蓝四角由水平托板支撑于钢箱梁底板上，为减小摩擦，在挂蓝四角与水平托板间设置圆形滚珠，保证挂蓝可在水平面内向任意方向滑动。在挂蓝与钢箱梁之间设置限位弹簧，保证在钢箱梁发生小幅振动的正常情况下，挂蓝只能在平衡位置附近发生很小的振动，不至于掉落。转筒安装于钢箱梁顶板底部，其与挂蓝通过吊绳、保险绳相连，在挂蓝从水平托板上掉落前，吊绳绕于转筒外壁。

当桥梁在风作用下发生扭转或弯曲振动时，导致钢箱梁发生转动，原处于水平状态的挂蓝发生倾斜，在重力作用下向下滑动，压缩限位弹簧，当钢箱梁的倾斜角度超过限值时，挂蓝压缩限位弹簧超过限值后从水平托板处掉向水中。

为防止挂蓝高速掉落发生意外，抱紧装置对吊绳在一般情况下处于轻压状态，使挂蓝缓慢下落并掉入水中。

在无人力或其它控制手段参与下，挂蓝进入水体内，在重力作用下张紧吊绳，其耗能及将动能由钢箱梁传递至水体原理按钢箱梁振动一个周期分为三个阶段：

(1)当耗能器转筒位置的钢箱梁由处于最低位置并往上移动至平衡位置过程中，挂蓝在吊绳牵引下由下往上加速运动，此时挂蓝顶板通水孔的盖板闭合，挂蓝和其内水体动能增加，并驱动挂蓝上方及下方部分水体流动，所有动能来源于吊绳驱动挂蓝所做的功。与此同时，挂蓝势能也增加，但由于在整个振动周期中，挂蓝势能的变化为零，因此不分析势能的变化。吊绳给挂蓝及水体做功的同时也给钢箱梁做负功，相当于钢箱梁的部分动能由吊绳传递给了水体和挂蓝。

(2)当耗能器转筒位置的钢箱梁由处于平衡位置并往上移动至最高位置过程中，挂蓝在吊绳牵引下由下往上减速运动，挂蓝和其内水体动能减小，但同样驱动挂蓝上方及下方部分水体流动，通过流体摩擦耗能；当挂蓝随钢箱梁上升的速度进一步减小后，部分流体在惯性作用下上升速度大于挂蓝，流体冲开挂蓝顶板通水孔的盖板，此时具有较大动能密度的水体离开挂蓝，周边水体补充流入，形成局部小循环，挂蓝内水体动能迅速流失；由于吊绳为柔性，挂蓝只能被钢箱梁拉动，而不能推动钢箱梁运动，因此，这过程中初始阶段挂蓝给钢箱梁做负功，减小钢箱梁动能，后期挂蓝内水体动能流入周围水体，其不给钢箱梁做功。

(3)当耗能器转筒位置的钢箱梁由处于最高位置并往下移动至最低位置过程中，挂蓝在重力作用下克服水体阻力下降，此时挂蓝顶板通水孔的盖板被水体阻力冲开，其可减小水体阻力保证挂蓝与钢箱梁同时达到最低位置。在这个过程中，挂蓝势能减小，部分势能被水体阻尼耗散，部分势能通过吊绳给钢箱梁做正功，被钢箱梁吸收。但由于在整个振动周期中，挂蓝势能的变化为零，可以不考虑挂蓝势能变化。因此，此过程中，水体同样在吸收钢箱梁的动能。

在有人力或其它控制手段参与下，挂蓝进入水体内，在重力作用下张紧吊绳。通过观察，转动转筒，提升挂蓝至水面位置，部分露出挂蓝上部，旋转抱紧装置的抱紧螺杆固定吊绳。此时吸耗能器的吸能与耗能原理按钢箱梁振动一个周期分为三个阶段：

(1)当抱紧装置位置的钢箱梁由处于最低位置(挂蓝全部浸没水中)并往上移动至平衡位置过程中，挂蓝在吊绳牵引下由下往上加速运动，此时挂蓝顶板通水孔的盖板因水的流动闭合，挂蓝和其内水体动能增加，并驱动挂蓝上方及下方部分水体流动，所有动能来源于吊绳驱动挂蓝所做的功。与此同时，挂蓝势能也增加，但由于在整个振动周期中，挂蓝势能的变化为零，因此不分析势能的变化。吊绳给挂蓝及水体做功的同时也给钢箱梁做负功，相当于钢箱梁的部分动能由吊绳传递给了水体和挂蓝。

(2)当挂蓝顶板刚露出水面，钢箱梁继续往上移动至最高位置过程中，挂蓝内高出水面的液体(水)的体积和高度随挂蓝高度增加而增加，液体势能增加可视为E＝ρgAh²，其中ρ为水密度，g为重力加速度，A为提升液体的横截面面积，h为提升液体高出水面的高度；当挂蓝随钢箱梁上升到一定高度后，挂蓝外框下缘首先高出水面，空气从下方进入挂蓝外框与中筒之间，其内液体在重力作用下流出挂蓝，液体势能变为动能进入水体；当钢箱梁继续往上移动，可能导致中筒下缘高出水面，同理空气从中筒下缘进入挂蓝中筒与内筒之间，其内液体在重力作用下流出挂蓝，液体势能变为动能进入水体；当钢箱梁继续往上移动，可能导致内筒下缘高出水面，同理空气从内筒下缘进入内筒，其内液体在重力作用下流出挂蓝，液体势能变为动能进入水体。

(3)当耗能器转筒位置的钢箱梁由处于最高位置并往下移动至最低位置过程中，挂蓝在重力作用下克服水体阻力下降，此时挂蓝顶板通水孔的盖板被水体阻力冲开，其可减小水体阻力保证挂蓝与钢箱梁同时达到最低位置。在这过程中，挂蓝势能减小，部分势能被水体阻尼耗散，部分势能通过吊绳给钢箱梁做正功，被钢箱梁吸收。但由于在整个振动周期中，挂蓝势能的变化为零，可以不考虑挂蓝势能变化。因此，此过程中，水体同样在吸收钢箱梁的动能。

当风速减小后，桥梁停止发生大幅振动，可以人力或其它动力设施转动转筒、提升挂蓝，并通过钢箱梁底板所设置的操作孔，使挂蓝倾斜进入方形凹洞后安装就位。

吊绳下方所设置的保险绳可保证挂蓝在遇到船只撞击、缠绕时被拉断，避免意外事故的发生。

本发明的有益效果及创新点如下：

(1)在无外加控制因素时，对于发生较大幅度的桥梁主梁(钢箱梁)，通过吊绳连接钢箱梁和挂蓝，驱动挂蓝及其内和周边小范围内液体(水)在水中运动(挂蓝总处于水面下)，实现将钢箱梁动能传递给挂蓝及其内液体，其内液体在具有最大动能密度(动能/体积)时，其迅速向周围水体流动，带走其内液体动能，实现主梁振动每一个周期实现挂蓝内液体吸能和排能(排向周围水体，为下一次吸能准备)一次；同时挂蓝的运动，与周边水体产生摩擦，通过摩擦同时消耗部分能力。

(2)在有外加控制因素时，将挂蓝提升至水面位置附近，在主梁的每一个振动周期内，吸耗能器可分步实现：挂蓝与水体摩擦耗能(挂蓝在水中)；主梁振动机械能(包括动能与形变势能)转变为挂蓝内液体重力势能，重力势能流失进入水体，不再转换成主梁振动机械能，实现吸耗主梁振动机械能，从而抑制主梁振动。

(3)通过弹性限位装置保持挂蓝在小扰动时的平衡。

(4)通过弹性限位装置、减小摩擦的圆形滚珠，并利用桥梁一定幅度振动的主梁倾斜角度，实现吸耗能器挂蓝的自动脱落，从而自动开启吸耗能器的工作；当吸耗能器完成工作后，吸耗能器能方便地重新归位，等待下一次工作的启动，最大限度减小对航道通航的影响。

(5)通过挂蓝顶板通水孔及盖板的设计，下落时水力作用将盖板打开，减小流体对挂蓝阻力，保证挂蓝迅速下沉，与钢箱梁同时达到最低位置；在钢箱梁牵引挂蓝加速上升时，水力作用将盖板关闭，保证挂蓝内水体与挂蓝具有相同的速度，实现尽量多的动能从钢箱梁向水体的传递。

(6)吊绳保险绳的设计，避免意外事故的发生。

附图说明

图1是本发明实施例的整体侧面结构示意图。

图2是图1中挂蓝的纵剖视图。

图3是图2的B-B剖视图。

图4是图1中C处的放大图。

图5是图1中抱紧装置的纵剖视图。

图6是图5的D-D剖视图。

图7是图1中挂蓝落入水中的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。

参见图1，本实施例的吸耗能器利用桥梁结构上的箱体式的钢箱梁24，在钢箱梁24的底部改造加工有一个方形凹洞25。本实施例的吸耗能器还包括一个挂蓝5；参见图2、图3，挂蓝5包括方形的挂蓝外框16，挂蓝外框16内依次套有圆筒形的挂蓝中筒19和挂蓝内筒20，挂蓝外框16、挂蓝中筒19和挂蓝内筒20的顶部固连有挂蓝顶板21，从图2中可见，挂蓝底部为敞口，且挂蓝外框16、挂蓝中筒19、挂蓝内筒20的高度依次增大；挂蓝顶板21上均匀开有若干通水孔18，通水孔18之上铰接有盖板17，未工作时盖板17通过扭转弹簧(图中未画出)处于盖紧状态，扭转弹簧的预紧力小，保证盖板17下方水流能轻松冲开盖板。同时参见图7，挂蓝5上部四个角上分别连接有一根吊绳22，四根吊绳22的另一端等长度绑扎在一起后的结点通过保险绳23再与吊绳22连接，然后，吊绳22的另一端穿过安装于方形凹洞25的顶板26上的抱紧装置4，再绕过安装于钢箱梁24的顶板1上的滑轮2后，缠绕在安装于钢箱梁24的顶板1上的转筒3上。保险绳23的拉扯强度小于吊绳22的强度，以保证挂蓝5在遇到船只撞击、缠绕时，保险绳23被拉断，避免意外事故的发生。吊绳22的长度保证挂蓝5能够沉没于桥下水中，但不能接触到水底。挂蓝5放置于钢箱梁24底部的方形凹洞25内，在方形凹洞25底部的四个角上分别设置有一块水平托板10，同时参见图4，水平托板10上设置有竖直挡板8，竖直挡板8通过限位弹簧9与方形凹洞25的侧板27底部连接，在挂蓝外框16底部四个直角内分别设置有一个水平角板7；竖直挡板8通过限位弹簧9的弹力与挂蓝外框16底部紧靠，挂蓝外框16底部四个角通过圆形滚珠6支撑于方形凹洞25底部的四个水平托板10上；水平托板10的尺寸及限位弹簧9弹力的设计保证挂蓝5处于方形凹洞25中心并保持平衡，并且在风的直接作用下不产生足够滑落的侧移，但在钢箱梁24发生一定的倾斜角度时滑落。

参见图5、图6，抱紧装置4包括一个上、下开口的圆形外筒11，外筒11的下部套装有一个上、下开口的圆形内筒15，内筒15之上的外筒11内安装有一块圆弧形的定闸瓦12和一块圆弧形的动闸瓦13，动闸瓦13上连接有一根抱紧螺杆14，抱紧螺杆14伸出于外筒11之外，通过旋转抱紧螺杆14推动动闸瓦13能调节定闸瓦12和动闸瓦13所围合的圆孔的大小；抱紧装置4安装于方形凹洞25的顶板26上，顶板26上开有对应于抱紧装置4中心孔的通孔，以便于吊绳22穿过。吊绳22在抱紧装置4的中心孔内穿过，通过旋转抱紧螺杆14推动定闸瓦13，可实现对吊绳22的抱紧和放松。

与本发明实施例不同的可能的改造是：

(1)将吸耗能器安装于钢箱梁外侧，将转筒安装于悬索桥主缆，即采用不同的安装部位。

(2)在挂蓝部位安装叶片或风扇，既耗能，又将部分能量转化为电能或其它能量，驱动警示灯或声音报警。

(3)将挂蓝形式变化，如多层挂蓝增大耗能效率，流线型减小流水及风的水平作用力，在挂蓝外加防撞装置保证安全。

(4)吊绳上或钢箱梁底安装警示装置。

(5)在挂蓝与水平托板间采用其它减小摩擦装置，如：加万向轮、润滑油、磁悬浮等。

(6)将自开启改为手动、电动、遥控或其它能量输入方式。

(7)该吸耗能器同样适用于其它流体介质。

(8)通过增加远程观察和控制系统，可在船只经过时及时提升挂蓝，避免船只碰撞。

(9)将挂蓝做成具有更多层筒体。

因此，以上所述仅为本发明的较佳或较简实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明构思和原理之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种自开启位移型多级水力吸耗能器，其特征在于：它包括桥梁结构上的箱体式的钢箱梁，钢箱梁的底部加工有一个方形凹洞；它还包括一个挂蓝；所述挂蓝包括方形的挂蓝外框，挂蓝外框内依次套有圆筒形的挂蓝中筒和挂蓝内筒，挂蓝外框、挂蓝中筒和挂蓝内筒的顶部固连有挂蓝顶板，挂蓝底部为敞口，且挂蓝外框、挂蓝中筒、挂蓝内筒的高度依次增大；挂蓝顶板上均匀开有若干通水孔，通水孔之上铰接有盖板，未工作时盖板通过扭转弹簧处于盖紧状态，扭转弹簧的预紧力小，保证盖板下方水流能轻松冲开盖板；挂蓝上部四个角上分别连接有一根吊绳，四根吊绳的另一端等长度绑扎在一起后的结点再与吊绳连接，吊绳的另一端穿过安装于方形凹洞顶板上的抱紧装置，再绕过安装于钢箱梁顶板上的滑轮后，缠绕在安装于钢箱梁顶板上的转筒上；吊绳的长度保证挂蓝能够沉没于桥下水中，但不能接触到水底；所述挂蓝放置于钢箱梁底部的方形凹洞内，在方形凹洞底部的四个角上分别设置有一块水平托板，水平托板上设置有竖直挡板，竖直挡板通过限位弹簧与方形凹洞的侧板底部连接，在挂蓝外框底部四个直角内分别设置有一个水平角板；竖直挡板通过限位弹簧的弹力与所述挂蓝外框底部紧靠，挂蓝外框底部四个角通过圆形滚珠支撑于方形凹洞底部的四个水平托板上；水平托板尺寸及限位弹簧弹力的设计保证挂蓝处于方形凹洞中心并保持平衡，并且在风的直接作用下不产生足够滑落的侧移，但在钢箱梁发生一定的倾斜角度时滑落。

2.根据权利要求1所述自开启位移型多级水力吸耗能器，其特征在于：所述抱紧装置包括一个上、下开口的圆形外筒，外筒的下部套装有一个上、下开口的圆形内筒，内筒之上的外筒内安装有一块圆弧形的定闸瓦和一块圆弧形的动闸瓦，动闸瓦上连接有一根抱紧螺杆，抱紧螺杆伸出于外筒之外，通过旋转抱紧螺杆推动动闸瓦能调节定闸瓦和动闸瓦所围合的圆孔的大小；抱紧装置安装于方形凹洞的顶板上，顶板上开有对应于抱紧装置中心孔的通孔。

3.根据权利要求1所述自开启位移型多级水力吸耗能器，其特征在于：所述挂蓝上部连接的四根吊绳绑扎在一起后的结点通过保险绳与吊绳连接，保险绳的拉扯强度小于吊绳的强度。